JP6272548B2

JP6272548B2 - 電動機制御装置

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Publication number: JP6272548B2
Application number: JP2017501870A
Authority: JP
Inventors: 裕幸関口; 英俊池田; 裕司五十嵐
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2035-12-10
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Description

本発明は、駆動機構を駆動する電動機を制御する電動機制御装置に関する。

従来、電動機及び駆動機構で構成される駆動部を有する機械装置、特に産業機械の機械装置では、駆動部の寿命または損傷による異常で運転を停止すると生産活動又は物流が停止するため、異常発生の予測、早期又は軽微な段階での異常検出が求められている。

一例である特許文献１には、駆動機構に対して同一方向に単位移動量の移動停止動作を複数回遂行し、逆方向にも単位移動量の移動停止動作を複数回遂行することで算出された摩擦トルク及び摩擦力の値が、予め定められた許容値の範囲内にあるか否かを判定する故障診断プログラムを有する数値制御装置が開示されている。

また、一例である特許文献２には、モータにより回転する回転機の軸受の振動波形を格納する振動波形データベースと、この振動波形に対するＦＦＴ解析から対象機器仕様に対応する理論周波数の振動成分を抽出する特徴周波数抽出手段と、抽出した周波数の振幅から平均値及び標準偏差を算出する統計量算出手段と、算出された統計量から判定基準を算出する判定基準算出手段と、振動波形を判定基準と比較して回転機の異常を判定する判定手段とを有する回転機軸受診断装置が開示されている。

特開２００４−３６２２０４号公報特開２０１２−８０３０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の従来の技術によれば、故障診断するためにユーザが摩擦トルク及び摩擦力に対する許容値を予め設定しなければならない。そのため、許容値を決定する作業が必要である、という問題があった。

また、上記特許文献２に記載の従来の技術によれば、回転機の振動から異常を判定するための判定基準算出手段による判定基準の算出が可能であるが、判定基準を算出するための回転機の軸受の振動波形を振動波形データベースに格納しなければならない。そのため、振動波形を振動波形データベースに予め格納する作業が必要である、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、機械特性推定値から機械特性許容しきい値を簡単に得ることができ、機械特性推定値及び機械特性許容しきい値から機械特性の異常を検出可能な電動機制御装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、駆動部を駆動する電動機の制御を行う電動機制御装置であって、駆動指令信号を出力する指令生成部と、前記電動機の位置又は速度を検出して動作検出値を出力する動作検出部と、前記動作検出値、前記駆動指令信号及び駆動電流検出値が入力されて駆動制御信号及び駆動力信号を出力する駆動制御部と、前記駆動制御信号が入力されて駆動電流を出力し、且つ前記駆動電流から検出した前記駆動電流検出値を出力する電流制御部と、少なくとも前記駆動力信号が入力されて機械特性推定値を出力する機械特性推定部と、前記駆動指令信号を出力している時間から前記駆動部の積算駆動時間を出力し、又は駆動指令信号を出力している時間から前記駆動部の駆動量積算値を出力する積算部と、前記機械特性推定値及び設定期間を表す信号が入力されて機械特性許容しきい値を出力する機械特性許容しきい値出力部と、前記駆動部の前記積算駆動時間又は前記駆動量積算値が入力されて、前記設定期間を表す信号を出力する設定期間決定部と、前記機械特性許容しきい値及び前記機械特性推定値が入力されて機械特性異常を検出する機械特性異常検出部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、機械特性推定値から機械特性許容しきい値を簡単に得ることができ、機械特性推定値及び機械特性許容しきい値から機械特性の異常を検出可能な電動機制御装置を得ることができる、という効果を奏する。

実施の形態１に係る電動機制御装置の構成例を示すブロック図実施の形態１に係る電動機制御装置の他の構成例を示すブロック図実施の形態２に係る電動機制御装置の構成例を示すブロック図実施の形態３に係る電動機制御装置の構成例を示すブロック図実施の形態４に係る電動機制御装置の構成例を示すブロック図実施の形態５に係る電動機制御装置の構成例を示すブロック図

以下に、本発明の実施の形態に係る電動機制御装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の構成例を示すブロック図である。図１に示す電動機制御装置１００は、指令生成部４と、駆動制御部５と、位置検出器６と、電流制御部７と、摩擦特性推定部８と、摩擦特性補正部９と、温度情報取得部１０と、摩擦異常検出部１１と、振動特性推定部１２と、振動異常検出部１３と、設定期間決定部１４と、温度摩擦モデル出力部１５と、摩擦許容しきい値出力部１６と、振動許容しきい値出力部１７と、駆動時間積算部１８とを備える。指令生成部４は、駆動部１の電動機３を制御し、駆動指令信号及び駆動指令信号を出力している時間を出力する。駆動制御部５は、位置検出値、駆動指令信号及び駆動電流検出値が入力されて駆動制御信号、速度信号及び駆動力信号を出力する。位置検出器６は、電動機３の位置を検出して位置検出値を出力する。電流制御部７は、駆動制御信号が入力されて駆動電流を出力し、且つ駆動電流から検出した駆動電流検出値を出力する。摩擦特性推定部８は、速度信号及び駆動力信号が入力されて摩擦特性推定値を出力する。摩擦特性補正部９は、駆動部１の温度値及び摩擦特性推定値が入力されて温度摩擦モデルにより補正した摩擦特性補正値を出力する。温度情報取得部１０は、駆動部１の温度値を取得して出力する。摩擦異常検出部１１は、摩擦許容しきい値及び摩擦特性補正値が入力されて摩擦異常を検出する。振動特性推定部１２は、駆動力信号が入力されて振動特性推定値を出力する。振動異常検出部１３は、振動特性推定値及び振動許容しきい値が入力されて振動の異常を検出する。設定期間決定部１４は、駆動部１の積算駆動時間が入力されて、温度摩擦モデル出力部１５、摩擦許容しきい値出力部１６及び振動許容しきい値出力部１７の各々における設定期間を表す信号を出力する。温度摩擦モデル出力部１５は、温度値、摩擦特性推定値及び温度摩擦モデル出力部の設定期間を表す信号が入力されて温度摩擦モデルを出力する。摩擦許容しきい値出力部１６は、摩擦特性補正値及び摩擦許容しきい値出力部の設定期間を表す信号が入力されて摩擦許容しきい値を出力する。振動許容しきい値出力部１７は、振動特性推定値及び振動許容しきい値出力部の設定期間を表す信号が入力されて振動許容しきい値を出力する。駆動時間積算部１８は、駆動指令信号を出力している時間が入力されて積算駆動時間を出力する。なお、駆動部１は、駆動機構２及び電動機３で構成される。ここで、駆動機構２としては、直動案内を例示することができる。

摩擦特性補正部９の温度摩擦モデルは、温度摩擦モデル出力部１５で算出されて設定され、摩擦異常検出部１１の摩擦許容しきい値は摩擦許容しきい値出力部１６で算出されて設定され、振動異常検出部１３の振動許容しきい値は振動許容しきい値出力部１７で算出されて設定される。また、摩擦異常検出部１１は、摩擦許容しきい値が設定されてから摩擦の異常を検出し、振動異常検出部１３は、振動許容しきい値が設定されてから振動の異常を検出する。

なお、図１において、摩擦特性補正部９、摩擦異常検出部１１、振動異常検出部１３、温度摩擦モデル出力部１５、摩擦許容しきい値出力部１６及び振動許容しきい値出力部１７の各ブロックに対して斜めに交わる矢印は、各ブロックにおける内部設定値を変更することを意味し、その他の図においても同様である。

なお、温度情報取得部１０が取得する温度値は、駆動部１の温度でもよいし、駆動部１の温度に従って温度変化する部分の温度でもよい。ここで、駆動部１の温度に従って温度変化する部分としては、位置検出器６を例示することができる。

次に、図１に示す電動機制御装置１００の動作について説明する。まず、指令生成部４から駆動指令信号が出力され、駆動指令信号が入力された駆動制御部５から駆動制御信号が出力され、駆動制御信号が入力された電流制御部７から電動機３に駆動電流が供給されると、駆動部１の電動機３が制御されて、駆動部１が駆動される。位置検出器６は、電動機３の位置を検出して位置検出値を出力する。駆動制御部５は、駆動指令信号及び位置検出値から加算、乗算、微分、積分等により演算して算出した駆動制御信号を出力する。電流制御部７は、駆動制御信号から算出した駆動電流を出力し、駆動部１は駆動指令信号によって駆動される。

なお、駆動部１に含まれる駆動機構２及び電動機３において駆動時に発生する摩擦及び振動の影響は位置検出値に含まれる。また、位置検出値に応じて計算される駆動制御信号から電流制御部７が算出した駆動電流検出値にも摩擦及び振動の成分が含まれる。そこで、摩擦特性推定部８は、駆動電流検出値から算出した駆動力信号及び位置検出値から算出した速度信号によって、駆動部１で発生している摩擦の特性を推定し、振動特性推定部１２は、駆動電流検出値から算出した駆動力信号によって、駆動部１で発生している振動の特性を推定する。

摩擦特性推定部８は、駆動部１で発生している摩擦特性を速度の係数である粘性係数を含む項及び定数項からなる一次式に近似し、駆動力信号及び速度信号から近似手法で粘性係数及び定数項を求めることによって駆動部１で発生している摩擦特性を推定し、粘性係数及び予め定めた速度に対する摩擦特性の値を摩擦特性推定値として出力する。なお、ここで、近似手法としては最小二乗法を例示することができる。

ただし、駆動部１で発生する摩擦特性は温度に依存して変動することがあり、この場合には摩擦特性推定値も温度依存性を有する。そこで、摩擦特性補正部９は、温度情報取得部１０で取得した温度値と、摩擦の温度依存性をモデル化した温度摩擦モデルとを用いて、摩擦特性推定値を補正して摩擦特性補正値を出力する。この温度摩擦モデルは、温度を変数とする項及び定数項からなる一次式で表される。

摩擦異常検出部１１は、摩擦特性補正値と摩擦許容しきい値とを比較することで、摩擦に対する温度の影響を補正して駆動部１で発生している摩擦の異常を検出する。

振動特性推定部１２は、ハイパスフィルタを用いて駆動力信号から駆動部１の駆動に用いられている信号成分及びオフセット成分を除去することで駆動部１において発生している振動成分を抽出し、抽出した振動成分の絶対値を平均化することにより駆動部１で発生している振動の振幅を推定して振動特性推定値を出力する。

振動異常検出部１３は、振動特性推定値と振動許容しきい値とを比較することで、駆動部１で発生している振動の異常を検出する。

このように、摩擦異常検出部１１において行う摩擦の異常の検出及び振動異常検出部１３において行う振動の異常の検出には、摩擦許容しきい値及び振動許容しきい値を要する。また、摩擦異常検出部１１に入力される摩擦特性補正値の出力には、摩擦特性補正部９において行う温度の補正を要し、この温度の補正には温度摩擦モデルを要する。ここで、摩擦許容しきい値、振動許容しきい値及び温度摩擦モデルを自動設定する動作について説明する。

駆動時間積算部１８は、指令生成部４が駆動指令信号を出力している時間を積算し、すなわち、駆動部１が駆動している時間を積算して積算駆動時間を算出して出力する。設定期間決定部１４は、駆動時間積算部１８が出力する積算駆動時間を用いて、温度摩擦モデル出力部１５、摩擦許容しきい値出力部１６及び振動許容しきい値出力部１７が温度摩擦モデル、摩擦許容しきい値及び振動許容しきい値を各々算出し、摩擦特性補正部９、摩擦異常検出部１１及び振動異常検出部１３に各々設定する期間を決定する。その期間は、積算駆動時間に対する期間であり、電動機３及び駆動機構２の構成要素の各々の基本定格寿命のうち最も短い基本定格寿命以下の期間とする。ここで、基本定格寿命は、信頼度９０％のときの定格寿命と定義される。積算駆動時間が基本定格寿命以下であるとすると、駆動部１の信頼度は９０％以上で正常であるため、温度摩擦モデル、摩擦許容しきい値及び振動許容しきい値を各々設定する期間として適当である。また、この基本定格寿命は統計的に、一例としてワイブル分布を用いて劣化及び寿命を表したものである。そのため、信頼度を変更して、一例として信頼度９９％又は９９．９％における定格寿命以下になるように温度摩擦モデル、摩擦許容しきい値及び振動許容しきい値を各々算出して設定する期間を決めることもできる。

温度摩擦モデル出力部１５は、設定期間決定部１４で決定された温度摩擦モデル出力部の設定期間において、温度情報取得部１０が出力した温度値及び摩擦特性推定部８が出力した摩擦特性推定値から、複数の異なる温度値を取得した場合の温度値及び摩擦特性推定値を記憶し、記憶した温度値と摩擦特性推定値との関係から近似手法を用いることで温度摩擦モデルを作成して摩擦特性補正部９に設定する。なお、ここで、近似手法としては最小二乗法を例示することができる。

摩擦許容しきい値出力部１６は、摩擦許容しきい値の設定期間において、温度摩擦モデルにより摩擦の温度依存性の影響を補正した摩擦特性補正値の平均値及び標準偏差を算出し、この摩擦特性補正値の平均値及び標準偏差により摩擦許容しきい値を算出し、摩擦異常検出部１１に出力する。

ここで、摩擦許容しきい値は、平均値±標準偏差×係数で表すことができる。摩擦許容しきい値の係数は、標準正規分布により決定することができ、一例として発生する確率が０．３％より低い摩擦特性補正値を異常として検出したい場合には摩擦許容しきい値の係数を２．９７に設定し、発生する確率が０．０３％より低い摩擦特性補正値を異常として検出したい場合には係数を３．６２に設定する。

振動許容しきい値出力部１７は、振動許容しきい値出力部１７の設定期間において振動特性推定部１２が出力した振動特性推定値から算出した平均値及び標準偏差により振動許容しきい値を算出し、振動異常検出部１３に出力する。振動許容しきい値を平均値±標準偏差×係数として計算する場合、振動許容しきい値の係数は、摩擦許容しきい値と同様に決定することができる。

以上説明したように、駆動時間積算部１８及び設定期間決定部１４で決定する駆動部１が正常な期間において、摩擦特性推定値と振動特性推定値による異常検出に必要な温度摩擦モデル、摩擦許容しきい値及び振動許容しきい値が設定される。これにより、駆動部１が正常な期間で設定された摩擦許容しきい値及び振動許容しきい値と、駆動部１で発生している摩擦及び振動の推定結果とを比較することができるため、駆動部１で発生している摩擦及び振動の異常を検出することができる。

なお、設定期間決定部１４が決定する設定期間は、電動機３及び駆動機構２の構成要素の基本定格寿命以下であればよく、電動機３及び駆動機構２を含む機械装置の立ち上げ時の試運転期間又は部品交換時の慣らし運転期間に合わせて設定する期間としてもよい。

また、本実施の形態１では、駆動時間積算部１８は、指令生成部４が駆動指令信号を出力している時間を積算して積算駆動時間を算出しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、指令生成部４が駆動指令信号を出力した回数を積算して積算駆動時間を算出してもよい。

また、駆動制御部５が出力する駆動力信号は、電流制御部７が出力する駆動電流検出値から算出されてもよいし、駆動制御信号から算出されてもよい。

また、本実施の形態１では、温度情報取得部１０は、位置検出器６に取り付けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、位置検出器６が温度検出部を有する場合には、この温度検出部で代用可能である。さらには、温度情報取得部１０が駆動部１に取り付けられて駆動部１の温度を直接取得してもよいし、駆動部１の温度に従って温度変化する他の部分に取り付けられていてもよい。

また、ここでは、電動機３の位置を検出する位置検出器６を設けた構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電動機制御装置の他の構成例を示すブロック図である。図２に示す電動機制御装置２００は、図１に示す電動機制御装置１００の位置検出器６に代えて電動機３の速度を検出する速度検出器６ａと、位置検出値が入力される駆動制御部５に代えて速度検出値が入力される駆動制御部５ａとを備える点のみが異なる。その他の同一符号の構成要素については、図１と同様であるため、説明を省略する。この構成においては、駆動制御部５ａには、速度検出器６ａが出力する速度検出値及び指令生成部４が出力する駆動指令信号が入力され、駆動制御部５ａは駆動制御信号を出力する。

図１及び図２にて説明したように、駆動制御部には駆動部にて検出した動作検出値である位置検出値又は速度検出値が入力されればよい。なお、動作検出値を出力する位置検出器６及び速度検出器６ａを総称して動作検出部と記載する。なお、本実施の形態１においては、機械特性として摩擦特性及び振動特性を例示して説明したが本発明はこれに限定されるものではない。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、許容値を決定する作業及び振動波形データベースに振動波形を予め格納する作業が不要である。そのため、摩擦特性推定値から摩擦特性許容しきい値を簡単に得ることが可能であり、振動特性推定値から振動特性許容しきい値を簡単に得ることが可能である。すなわち、機械特性推定値から機械特性許容しきい値を簡単に得ることができ、機械特性推定値と機械特性許容しきい値から機械特性の異常を検出する電動機制御装置を得ることが可能である。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る電動機制御装置の構成例を示すブロック図である。図３に示す電動機制御装置３００は、図１に示す電動機制御装置１００の駆動時間積算部１８に代えて、駆動指令信号が入力されて駆動量積算値を出力する駆動量積算部１９を備え、振動特性推定部１２に代えて、駆動力信号及び速度信号が入力されて動作時における振動特性推定値及び停止時における振動特性推定値を出力する振動特性推定部１２ａを備え、振動異常検出部１３に代えて動作時振動異常検出部１３ａ及び停止時振動異常検出部１３ｂを備え、振動許容しきい値出力部１７に代えて動作時振動許容しきい値出力部１７ａ及び停止時振動許容しきい値出力部１７ｂを備え、設定期間決定部１４に代えて、駆動量積算値が入力されて、温度摩擦モデル出力部１５、摩擦許容しきい値出力部１６、動作時振動許容しきい値出力部１７ａ及び停止時振動許容しきい値出力部１７ｂの各々における設定期間を表す信号を出力する設定期間決定部１４ａを備える。その他の同一符号の構成要素については、図１と同様であるため、説明を省略する。

次に、図３に示す電動機制御装置３００の動作について説明する。図３に示す電動機制御装置３００において、振動特性推定部１２ａは、駆動制御部５が出力する速度信号から駆動部１の動作時と停止時とを区別し、ハイパスフィルタを用いて駆動力信号から駆動部１の駆動に用いられている信号成分及びオフセット成分を除去することで駆動部１において発生している振動成分を抽出し、抽出した振動成分の絶対値を平均化することにより駆動部１で発生している振動の振幅を推定して、駆動部１の動作時における振動特性推定値と、駆動部１の停止時における振動特性推定値とを出力する。

動作時振動許容しきい値出力部１７ａは、駆動部１の動作時における振動特性推定値に対する動作時振動許容しきい値を算出して出力する。停止時振動許容しきい値出力部１７ｂは、駆動部１の停止時における振動特性推定値に対する停止時振動許容しきい値を算出して出力する。動作時振動異常検出部１３ａは、動作時における振動特性推定値と動作時振動許容しきい値とを比較することで、駆動部１が動作時に発生している振動の異常を検出する。停止時振動異常検出部１３ｂは、停止時における振動特性推定値と停止時振動許容しきい値とを比較することで、駆動部１が停止時に発生している振動の異常を検出する。

駆動量積算部１９は、駆動指令信号から駆動部１の駆動量を積算して駆動量積算値を出力する。ここで、駆動部１の駆動量としては、駆動機構２の移動量及び電動機３の回転回数を例示することができる。

設定期間決定部１４ａは、駆動量積算部１９が出力する駆動量積算値を用いて、摩擦許容しきい値出力部１６が摩擦許容しきい値を算出して摩擦異常検出部１１に設定する期間と、動作時振動許容しきい値出力部１７ａが動作時振動許容しきい値を算出して動作時振動異常検出部１３ａに設定する期間と、停止時振動許容しきい値出力部１７ｂが停止時振動許容しきい値を算出して停止時振動異常検出部１３ｂに設定する期間とを決定する。これらの期間は、駆動量積算値に対する期間であり、電動機３及び駆動機構２の構成要素の各々の基本定格寿命に到達する駆動量のうち最も小さい値から決定され、この値に到達する期間以下の期間とする。ここで、基本定格寿命は、実施の形態１と同様に、信頼度９０％のときの定格寿命と定義される。駆動量積算値が基本定格寿命に到達する駆動量以下とすると、駆動部１の信頼度は９０％以上で正常であるため、温度摩擦モデル、摩擦許容しきい値及び振動許容しきい値を各々設定する期間として適当である。

そして、温度摩擦モデル出力部１５、摩擦許容しきい値出力部１６及び動作時振動許容しきい値出力部１７ａ及び停止時振動許容しきい値出力部１７ｂは、各々の設定期間で温度摩擦モデル、摩擦許容しきい値、動作時振動許容しきい値及び停止時振動許容しきい値を算出し、摩擦異常検出部１１は摩擦特性補正値に対して異常検出することができ、振動異常検出部１３は、動作時における振動特性推定値及び停止時における振動特性推定値に対して異常検出することができるようになる。

以上、本実施の形態２にて説明したように、駆動量積算部１９及び設定期間決定部１４ａで決めた駆動部１が正常な期間において、摩擦特性推定値と振動特性推定値による異常検出に必要な温度摩擦モデル、摩擦許容しきい値及び動作時振動許容しきい値及び停止時振動許容しきい値が設定される。これにより、駆動部１が正常な期間で設定された摩擦許容しきい値、動作時振動許容しきい値及び停止時振動許容しきい値と、駆動部１で発生している摩擦及び振動の推定結果とを比較することができるため、駆動部１で発生している摩擦及び振動の異常を検出することができる。

また、本実施の形態２における振動特性推定値は、駆動部１の動作時と停止時とが区別されているため、駆動部１の動作時の振動特性推定値が動作時振動許容しきい値を超え、駆動部１の停止時の振動特性推定値が停止時振動許容しきい値を超えていない場合には駆動部１の異常として検出することができ、駆動部１の停止時の振動特性推定値が停止時振動許容しきい値を超えている場合には制御系の異常として検出することができる。

なお、設定期間決定部１４ａが決定する設定期間は、電動機３及び駆動機構２の構成要素の基本定格寿命以下であればよく、電動機３及び駆動機構２を含む機械装置の立ち上げ時の試運転期間の駆動量又は部品交換時の慣らし運転期間の駆動量に合わせて設定する期間としてもよい。

また、本実施の形態２では、駆動量積算部１９は、指令生成部４が出力する駆動指令信号から駆動量積算値を算出しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、指令生成部４が駆動指令信号を出力した回数を積算して駆動量積算値を算出してもよいし、位置検出器６が出力する位置検出値から駆動量積算値を算出してもよい。

以上説明したように、本実施の形態２によっても、許容値を決定する作業及び振動波形データベースに振動波形を予め格納する作業が不要である。そのため、機械特性推定値から機械特性許容しきい値を簡単に得ることができ、機械特性推定値と機械特性許容しきい値から機械特性の異常を検出する電動機制御装置を得ることが可能である。さらには、本実施の形態２によれば、検出された異常が駆動部の異常であるか、又は制御系の異常であるかを切り分けることができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る電動機制御装置の構成例を示すブロック図である。図４に示す電動機制御装置４００は、図１に示す電動機制御装置１００の摩擦特性補正部９、温度情報取得部１０及び温度摩擦モデル出力部１５が除外され、設定期間決定部１４に代えて駆動部１の積算駆動時間が入力されて、摩擦許容しきい値出力部１６ａ及び振動許容しきい値出力部１７の双方に共通の設定期間を表す信号を出力する設定期間決定部１４ｂを備え、摩擦許容しきい値出力部１６に代えて摩擦特性推定値及び設定期間を表す信号が入力されて摩擦許容しきい値を出力する摩擦許容しきい値出力部１６ａを備え、摩擦異常検出部１１に代えて摩擦許容しきい値及び摩擦特性推定値が入力されて摩擦異常を検出する摩擦異常検出部１１ａを備える。摩擦許容しきい値出力部１６ａは、設定期間決定部１４ｂで決定された摩擦許容しきい値の設定期間において、摩擦許容しきい値を算出し、摩擦異常検出部１１ａに出力する。摩擦異常検出部１１ａは、摩擦特性推定値と摩擦許容しきい値とを比較することで、駆動部１で発生している摩擦の異常を検出する。その他の同一符号の構成要素については、図１と同様であるため、説明を省略する。

設定期間決定部１４ｂは、駆動時間積算部１８が出力する積算駆動時間を用いて、摩擦許容しきい値出力部１６ａが摩擦許容しきい値を算出して摩擦異常検出部１１ａに設定する期間と、振動許容しきい値出力部１７が振動許容しきい値を算出して振動異常検出部１３に設定する期間とを決定する。これらの期間は、積算駆動時間に対する期間であり、電動機３及び駆動機構２の構成要素の各々の基本定格寿命のうち最も短い値以下になる期間とする。ここで、基本定格寿命は、実施の形態１と同様に、信頼度９０％のときの定格寿命と定義される。積算駆動時間が基本定格寿命以下とすると、駆動部１の信頼度は９０％以上で正常であるため、摩擦許容しきい値及び振動許容しきい値を設定する期間として適当である。

摩擦許容しきい値出力部１６ａは、設定期間決定部１４ｂで決定された摩擦許容しきい値の設定期間において、摩擦特性推定値の平均値及び標準偏差を算出し、この摩擦特性推定値の平均値及び標準偏差により摩擦許容しきい値を算出し、摩擦異常検出部１１ａに出力する。摩擦許容しきい値を平均値±標準偏差×係数として計算する場合、摩擦許容しきい値の係数は、実施の形態１と同様に決定することができる。

振動許容しきい値出力部１７は、振動許容しきい値の設定期間において振動特性推定部１２が出力した振動特性推定値から算出した平均値及び標準偏差により振動許容しきい値を算出し、振動異常検出部１３に出力する。振動許容しきい値を平均値±標準偏差×係数として計算する場合、振動許容しきい値の係数は、実施の形態１と同様に決定することができる。

以上、本実施の形態３にて説明したように、駆動時間積算部１８及び設定期間決定部１４ｂにより決定された駆動部１が正常な期間において、摩擦特性推定値と振動特性推定値による異常検出に必要な摩擦許容しきい値及び振動許容しきい値が設定される。これにより、駆動部１が正常な期間で設定された摩擦許容しきい値及び振動許容しきい値と、駆動部１で発生している摩擦及び振動の推定結果とを比較することができるため、駆動部１で発生している摩擦及び振動の異常を検出することができる。

また、本実施の形態３に係る電動機制御装置は、摩擦の温度依存性に対する演算を行わないため、計算コストを削減することができる。本実施の形態３に係る電動機制御装置では、摩擦の温度依存性の考慮が不要であり、周囲温度が管理された環境のように温度変化の小さい環境で利用されることを想定している。

なお、設定期間決定部１４ｂが決定する設定期間は、電動機３及び駆動機構２の構成要素の基本定格寿命以下であればよく、電動機３及び駆動機構２を含む機械装置の立ち上げ時の試運転期間又は部品交換時の慣らし運転期間に合わせて設定する期間としてもよい。また、本実施の形態では、摩擦許容しきい値出力部１６ａが摩擦許容しきい値を算出する期間と、振動許容しきい値出力部１７が振動許容しきい値を算出する期間とを共通の期間としたが、実施の形態１，２のように異なる期間としてもよい。

また、本実施の形態３の電動機制御装置においては、実施の形態２と同様に、駆動時間積算部１８に代えて駆動量積算値を出力する駆動量積算部１９を備えていてもよく、駆動量積算部１９を備える場合には、設定期間決定部１４ｂが決定する設定期間は駆動量積算値により決定すればよい。

以上説明したように、本実施の形態３によっても、許容値を決定する作業及び振動波形データベースに振動波形を予め格納する作業が不要である。そのため、機械特性推定値から機械特性許容しきい値を簡単に得ることができ、機械特性推定値と機械特性許容しきい値から機械特性の異常を検出する電動機制御装置を得ることが可能である。さらには、本実施の形態３によれば、温度変化の小さい環境において、計算コストを削減することができる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る電動機制御装置の構成例を示すブロック図である。図５に示す電動機制御装置５００は、図４に示す電動機制御装置４００に温度情報取得部１０ａを備え、摩擦異常検出部１１ａに代えて摩擦異常検出部１１ｂを備え、摩擦許容しきい値出力部１６ａに代えて摩擦許容しきい値関数出力部１６ｂを備える。その他の同一符号の構成要素については、図４と同様であるため、説明を省略する。

次に、図５に示す電動機制御装置５００の動作について説明する。図５に示す電動機制御装置５００において、摩擦特性推定部８は、速度信号及び駆動力信号が入力されて駆動部１の摩擦特性を推定して摩擦特性推定値を出力する。摩擦異常検出部１１ｂは、温度情報取得部１０ａが出力する温度値、摩擦特性推定値及び摩擦許容しきい値関数が入力されて、摩擦特性推定値と摩擦許容しきい値関数とを比較することで、駆動部１で発生している摩擦の異常を検出する。振動異常検出部１３は、振動特性推定値及び振動許容しきい値が入力されて駆動部１の振動の異常を検出する。このような摩擦異常検出部１１ｂ及び振動異常検出部１３による駆動部１で発生している摩擦及び振動に対する異常の検出には、摩擦許容しきい値関数及び振動許容しきい値の設定を要する。

設定期間決定部１４ｂは、駆動時間積算部１８が出力する積算駆動時間を用いて、摩擦許容しきい値関数出力部１６ｂが摩擦許容しきい値関数を算出して摩擦異常検出部１１ｂに設定する期間と、振動許容しきい値出力部１７が振動許容しきい値を算出して振動異常検出部１３に設定する期間とを決定する。これらの期間は、積算駆動時間に対する期間であり、電動機３及び駆動機構２の構成要素の各々の基本定格寿命のうち最も短い値以下になる期間とする。ここで、基本定格寿命は、実施の形態１と同様に、信頼度９０％のときの定格寿命と定義される。積算駆動時間が基本定格寿命以下とすると、駆動部１の信頼度は９０％以上で正常であるため、摩擦許容しきい値関数及び振動許容しきい値を設定する期間として適当である。

摩擦許容しきい値関数出力部１６ｂは、設定期間決定部１４ｂで決定された摩擦許容しきい値関数の設定期間において、温度値に対する摩擦特性推定値の近似関数と、この近似関数に対する標準偏差とを算出し、この近似関数と標準偏差により摩擦許容しきい値関数を算出し、摩擦異常検出部１１ｂに出力する。ここで、近似関数の一例は、最小二乗法によって得られ、温度値に比例する摩擦特性の関数であり、摩擦特性推定値は下記の式（１）で表される。また、摩擦許容しきい値関数は、下記の式（２）で表される。

振動許容しきい値出力部１７は、振動許容しきい値の設定期間において振動特性推定部１２が出力した振動特性推定値から算出した平均値及び標準偏差により振動許容しきい値を算出し、振動異常検出部１３に出力する。

以上、本実施の形態４にて説明したように、駆動時間積算部１８及び設定期間決定部１４ｂで決めた駆動部１が正常な期間において、摩擦特性推定値と振動特性推定値による異常検出に必要な摩擦許容しきい値関数及び振動許容しきい値が設定される。これにより、駆動部１が正常な期間で設定された摩擦許容しきい値関数及び振動許容しきい値と、駆動部１で発生している摩擦及び振動の推定結果とを比較することができるため、駆動部１で発生している摩擦及び振動の異常を検出することができる。

また、本実施の形態４に係る電動機制御装置は、実施の形態３と同様に温度摩擦モデルが不要であるため、設定期間を短縮することができる。また、本実施の形態４に係る電動機制御装置は、温度値に比例する摩擦特性の関数である摩擦許容しきい値関数を用いているため、実施の形態３のように周囲温度が管理された、温度変化の小さい環境とすることを要さない。

なお、設定期間決定部１４ｂが決定する設定期間は、電動機３及び駆動機構２の構成要素の基本定格寿命以下であればよく、電動機３及び駆動機構２を含む機械装置の立ち上げ時の試運転期間又は部品交換時の慣らし運転期間に合わせて設定する期間としてもよい。

また、本実施の形態４の電動機制御装置においても、実施の形態２と同様に、駆動時間積算部１８に代えて駆動量積算値を出力する駆動量積算部１９を備えていてもよく、駆動量積算部１９を備える場合には、設定期間決定部１４ｂが決定する設定期間は駆動量積算値により決定すればよい。また、摩擦許容しきい値関数出力部１６ｂが摩擦許容しきい値関数を算出する期間と、振動許容しきい値出力部１７が振動許容しきい値を算出する期間とを同一の期間としたが、実施の形態１，２のように異なる期間としてもよい。

以上説明したように、本実施の形態４によっても、許容値を決定する作業及び振動波形データベースに振動波形を予め格納する作業が不要である。そのため、機械特性推定値から機械特性許容しきい値を簡単に得ることができ、機械特性推定値と機械特性許容しきい値から機械特性の異常を検出する電動機制御装置を得ることが可能である。さらには、本実施の形態４によれば、温度変化の小さい環境でなくとも温度摩擦モデルが不要であり、計算コストを削減することができる。

実施の形態５．
図６は、本発明の実施の形態５に係る電動機制御装置の構成例を示すブロック図である。図６に示す電動機制御装置６００は、図１に示す摩擦異常検出部１１に代えて摩擦異常検出部１１ｃを備え、摩擦許容しきい値出力部１６に代えて摩擦許容しきい値出力部１６ｃを備え、振動異常検出部１３に代えて振動異常検出部１３ｃを備え、振動許容しきい値出力部１７に代えて振動許容しきい値出力部１７ｃを備える。その他の同一符号の構成要素については、図１と同様であるため、説明を省略する。

次に、図６に示す電動機制御装置の動作について説明する。摩擦異常検出部１１ｃは、摩擦許容上限しきい値と摩擦許容下限しきい値が設定され、入力された摩擦特性補正値が摩擦許容上限しきい値より大きくなった場合に駆動部１で発生している摩擦が異常増加であるとして検出する。一方、入力された摩擦特性補正値が摩擦許容下限しきい値より小さくなった場合には駆動部１で発生している摩擦が異常減少であるとして前記異常増加とは区別して検出する。

摩擦許容しきい値出力部１６ｃは、設定期間決定部１４で決定された摩擦許容しきい値出力部１６ｃの設定期間において、摩擦特性補正値の平均値及び標準偏差を算出し、この摩擦特性補正値の平均値及び標準偏差により摩擦許容上限しきい値と摩擦許容下限しきい値とを算出し、摩擦異常検出部１１ｃに出力する。

ここで、摩擦許容上限しきい値は平均値＋標準偏差×上限しきい値係数で、摩擦許容下限しきい値は平均値−標準偏差×下限しきい値係数で表すことができる。一例として、摩擦減少は駆動部１に与える影響は小さいが、摩擦増加は駆動部１の大きな故障に繋がると判断される場合には、上限しきい値係数を２．９７、下限しきい値係数を３．６２に設定することで、発生する確率が０．３％より低い摩擦特性補正値増加現象を摩擦の異常増加として検出し、発生する確率が０．０３％より低い摩擦特性補正値減少現象を摩擦の異常減少として検出することになる。

駆動部１で発生する摩擦は、潤滑剤である潤滑油若しくはグリース、駆動機構で用いられているベアリング若しくはボールねじ、又はリニアガイドの与圧によって決まる。経年変化により潤滑油の増粘若しくはグリースの硬化が発生し、又は異物が混入した場合には、摩擦の増加が予想される。一方、潤滑油の粘度低下若しくはグリースの軟化が発生し、又は与圧が低下した場合には、摩擦の減少が予想される。摩擦異常検出部１１ｃは、摩擦の異常増加と異常減少とを区別して検出するため、これらの現象を区別した診断が可能となる。

振動異常検出部１３ｃは、振動許容上限しきい値が設定され、入力された振動特性推定値が振動許容上限しきい値より大きくなった場合には駆動部１で発生している振動の異常増加を検出する。

振動許容しきい値出力部１７ｃは、設定期間決定部１４で決定された振動許容しきい値出力部の設定期間において、振動特性推定値の平均値及び標準偏差を算出し、この振動特性推定値の平均値及び標準偏差により振動許容上限しきい値を算出し、振動異常検出部１３ｃに出力する。振動許容上限しきい値は、摩擦許容上限しきい値と同様に決定することができる。

以上説明したように本実施の形態では、摩擦特性補正値が摩擦許容上限しきい値より大きくなった場合に摩擦の異常増加を検出し、摩擦特性補正値が摩擦許容下限しきい値より小さくなった場合に摩擦の異常減少を検出する。摩擦の増加と減少とでは異なる現象が発生していると予想されるため、ユーザは摩擦の異常増加時と異常減少時とで異なる最適な対応をとることができる。

また、例えば異物混入による摩擦増加は、その増加幅が小さくても駆動部１の重大な故障に繋がり、摩擦減少は駆動部１の重大な故障に繋がりにくい。そのため、小さな摩擦増加でも異常検出するように摩擦許容上限しきい値を設定し、摩擦減少については小さな摩擦減少では異常検出しないように摩擦許容下限しきい値を設定するとよい。このようにすることで、摩擦増加の場合には小さくても駆動部１をメンテナンスし、摩擦減少の場合には大きな変化が発生してからメンテナンスをするように設定することができ、メンテナンスの効率化を図ることができる。

また、振動については、振動振幅の増加は駆動部１の損傷のような故障が考えられるが、振動振幅の減少は異常現象と判定されなくてもよい。入力された振動特性推定値が振動許容上限しきい値より大きくなった場合に駆動部１で発生している振動の異常増加を検出することで、振動振幅の増加時だけ駆動部１のメンテナンスを行うようにすることができ、メンテナンスの効率化を図ることができる。

また、本実施の形態５では、駆動時間積算部１８は、指令生成部４が駆動指令信号を出力している時間を積算して積算駆動時間を算出しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、指令生成部４が駆動指令信号を出力した回数を積算して積算駆動時間を算出してもよい。

また、本実施の形態５の電動機制御装置においても、実施の形態２と同様に、駆動時間積算部１８に代えて駆動量積算値を出力する駆動量積算部１９を備えていてもよく、駆動量積算部１９を備える場合には、設定期間決定部１４ｂが決定する設定期間は駆動量積算値により決定すればよい。

また、摩擦許容しきい値出力部１６ｃが摩擦許容しきい値を算出する期間と、振動許容しきい値出力部１７ｃが振動許容しきい値を算出する期間と、温度摩擦モデル出力部１５が温度摩擦モデルを算出する期間とを異なる期間としたが、実施の形態３，４のように同一の期間としてもよい。

また、本実施の形態５では、温度情報取得部１０は、位置検出器６に取り付けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、位置検出器６が温度検出部を有する場合には、この温度検出部で代用可能である。さらには、温度情報取得部１０が駆動部１に取り付けられて駆動部１の温度を直接取得してもよいし、駆動部１の温度に従って温度変化する他の部分に取り付けられていてもよい。

なお、以上説明した実施の形態１から５においては、摩擦異常検出部と振動異常検出部の双方を備える構成について説明し、摩擦異常と振動異常とを同時に検出可能な電動機制御装置について説明したが、本発明の電動機制御装置はこれに限定されるものではなく、摩擦異常検出部と振動異常検出部の一方を備える構成であってもよい。

なお、以上説明した実施の形態１から５においては、機械特性として摩擦特性及び振動特性を例示して説明したが、いずれか一方の機械特性のみを推定する構成であってもよい。また、本発明における機械特性は摩擦特性及び振動特性に限定されるものではなく、他の機械特性に適用してもよい。すなわち、他の機械特性に適用する場合を考慮すると、摩擦特性推定部及び振動特性推定部を機械特性推定部と総称することができ、摩擦許容しきい値出力部及び振動許容しきい値出力部を機械特性許容しきい値出力部と総称することができ、摩擦異常検出部及び振動異常検出部を機械特性異常検出部と総称することができる。

なお、以上説明した実施の形態１から５においては、電動機制御装置が備える機能部を分けて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つのプロセッサが複数の機能部を兼用してもよい。一例として、１つのプロセッサが図１の摩擦特性推定部８と振動特性推定部１２を兼用してもよい。

なお、以上説明した実施の形態１から５により、異常発生の予測、早期又は軽微な段階での異常検出が可能であるため、早期の部品交換により機械装置の長寿命化が可能となる。また、生産活動又は物流の予期せぬ停止を未然に防止することが可能であるため、流通の効率化を図ることができる。また、機械装置の異常動作を未然に防止することが可能であるため、異常動作によるエネルギーの浪費を抑えることができ、環境負荷を低減することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１駆動部、２駆動機構、３電動機、４指令生成部、５，５ａ駆動制御部、６位置検出器、６ａ速度検出部、７電流制御部、８摩擦特性推定部、９摩擦特性補正部、１０温度情報取得部、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ摩擦異常検出部、１２，１２ａ振動特性推定部、１３，１３ｃ振動異常検出部、１３ａ動作時振動異常検出部、１３ｂ停止時振動異常検出部、１４，１４ａ，１４ｂ設定期間決定部、１５温度摩擦モデル出力部、１６，１６ａ，１６ｃ摩擦許容しきい値出力部、１６ｂ摩擦許容しきい値関数出力部、１７，１７ｃ振動許容しきい値出力部、１７ａ動作時振動許容しきい値出力部、１７ｂ停止時振動許容しきい値出力部、１８駆動時間積算部、１９駆動量積算部、１００，２００，３００，４００，５００，６００電動機制御装置。

Claims

駆動部を駆動する電動機の制御を行う電動機制御装置であって、
駆動指令信号を出力する指令生成部と、
前記電動機の位置又は速度を検出して動作検出値を出力する動作検出部と、
前記動作検出値、前記駆動指令信号及び駆動電流検出値が入力されて駆動制御信号及び駆動力信号を出力する駆動制御部と、
前記駆動制御信号が入力されて駆動電流を出力し、且つ前記駆動電流から検出した前記駆動電流検出値を出力する電流制御部と、
少なくとも前記駆動力信号が入力されて機械特性推定値を出力する機械特性推定部と、
前記駆動指令信号を出力している時間から前記駆動部の積算駆動時間を出力し、又は前記駆動指令信号を出力している時間から前記駆動部の駆動量積算値を出力する積算部と、
前記機械特性推定値及び設定期間を表す信号が入力されて機械特性許容しきい値を出力する機械特性許容しきい値出力部と、
前記駆動部の前記積算駆動時間又は前記駆動量積算値が入力されて、前記設定期間を表す信号を出力する設定期間決定部と、
前記機械特性許容しきい値及び前記機械特性推定値が入力されて機械特性異常を検出する機械特性異常検出部とを備えることを特徴とする電動機制御装置。
前記機械特性許容しきい値出力部は、摩擦許容しきい値を出力する摩擦許容しきい値出力部であり、
前記駆動制御部は、速度信号、前記駆動制御信号及び前記駆動力信号を出力し、
前記機械特性推定部は、前記速度信号及び前記駆動力信号を入力とし、前記機械特性推定値として摩擦特性推定値を出力する摩擦特性推定部であり、
前記機械特性異常検出部は、機械特性異常として摩擦異常を検出する摩擦異常検出部であることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
前記機械特性推定部は、前記駆動力信号を入力とし、前記機械特性推定値として振動特性推定値を出力する振動特性推定部であり、
前記機械特性異常検出部は、機械特性異常として振動異常を検出する振動異常検出部であることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
駆動部を駆動する電動機を制御する電動機制御装置であって、
駆動指令信号を出力する指令生成部と、
前記電動機の位置又は速度を検出して動作検出値を出力する動作検出部と、
前記動作検出値、前記駆動指令信号及び駆動電流検出値が入力されて駆動制御信号、速度信号及び駆動力信号を出力する駆動制御部と、
前記駆動制御信号が入力されて駆動電流を出力し、且つ前記駆動電流から検出した前記駆動電流検出値を出力する電流制御部と、
前記速度信号及び前記駆動力信号が入力されて摩擦特性推定値を出力する摩擦特性推定部と、
前記駆動力信号が入力されて振動特性推定値を出力する振動特性推定部と、
前記駆動指令信号を出力している時間から前記駆動部の積算駆動時間又は駆動量積算値を出力する積算部と、
前記摩擦特性推定値及び摩擦許容しきい値設定期間を表す信号が入力されて摩擦許容しきい値を出力する摩擦許容しきい値出力部と、
前記振動特性推定値及び振動許容しきい値設定期間を表す信号が入力されて振動許容しきい値を出力する振動許容しきい値出力部と、
前記駆動部の前記積算駆動時間又は前記駆動量積算値が入力されて、前記摩擦許容しきい値設定期間を表す信号と前記振動許容しきい値設定期間を表す信号とを出力する設定期間決定部と、
前記摩擦許容しきい値及び前記摩擦特性推定値が入力されて摩擦異常を検出する摩擦異常検出部と、
前記振動許容しきい値及び前記振動特性推定値が入力されて振動異常を検出する振動異常検出部とを備えることを特徴とする電動機制御装置。
前記駆動制御部は、速度信号、前記駆動制御信号及び前記駆動力信号を出力し、
前記振動特性推定部に前記速度信号が入力され、
前記振動特性推定部は、前記速度信号により、前記駆動部の動作時の前記振動特性推定値と前記駆動部の停止時の前記振動特性推定値とを区別して出力することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電動機制御装置。
前記駆動部の温度または前記駆動部の温度により温度変化する部分の温度を取得して温度値を出力する温度情報取得部と、
前記摩擦特性推定値が入力されて、前記温度値によって摩擦特性が変化する温度摩擦モデルを用いて前記摩擦特性推定値を補正して摩擦特性補正値を出力する摩擦特性補正部と、
前記摩擦特性推定値及び前記温度値から温度摩擦モデルを算出して前記摩擦特性補正部に設定する温度摩擦モデル出力部とを備え、
前記摩擦異常検出部は、前記摩擦特性補正値を入力とし、前記摩擦特性補正値と前記摩擦許容しきい値とを比較して前記摩擦異常の検出を行うことを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の電動機制御装置。
前記駆動部の温度または前記駆動部の温度により温度変化する部分の温度を取得して温度値を出力する温度情報取得部と、
前記摩擦許容しきい値出力部に代えて、前記温度値、前記摩擦特性推定値及び前記摩擦許容しきい値出力部の設定期間を表す信号が入力されて摩擦許容しきい値関数を出力する摩擦許容しきい値関数出力部と、
前記摩擦許容しきい値関数及び前記摩擦特性推定値が入力されて摩擦異常を検出する摩擦異常検出部とを備えることを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の電動機制御装置。
前記機械特性許容しきい値出力部は、前記機械特性許容しきい値出力部の設定期間を表す信号で決められる期間に前記機械特性許容しきい値を計算して出力することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
前記機械特性許容しきい値出力部は、機械特性許容上限しきい値と機械特性許容下限しきい値とを出力し、
前記機械特性異常検出部は、前記機械特性推定値が前記機械特性許容上限しきい値より大きくなると機械特性異常増加を検出し、前記機械特性許容下限しきい値より小さくなると機械特性異常減少を検出することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
前記機械特性許容しきい値出力部は、機械特性許容上限しきい値を出力し、
前記機械特性異常検出部は、前記機械特性推定値が前記機械特性許容上限しきい値より大きくなると機械特性異常増加を検出することを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。